生物医用材料 2

生物医用材料

导论

一、生物医用材料定义

广义的生物材料：一是指用于生物体内的材料，达到治疗康复的目的，例如隐形眼镜、人工髋关节；二是指来源于生物体，可能用于或不再用于生物体内（这种不是本课程研究对象），例如动物皮革用于服装。

我们给生物医用材料明确的定义：对生物系统的疾病进行诊断、治疗、外科修复、理疗康复、替换生物体组织或器官（人工器官），增进或恢复其功能，而对人体组织不会产生不良影响的材料。生物医用材料本身并不必须是药物，而是通过与生物机体直接结合和相互作用来进行治疗。生物医用材料是一种植入躯体活系统内或与活系统相接触而设计的人工材料。

二、生物医用材料学科的研究内容

1.各种器官的作用；

2.生物医用材料的性能；

3.组织器官与材料之间的相互作用。

专题一、生物医用材料的生物相容性及其生物学评价

第一节、生物相容性概念和原理

生物相容性，是生物医用材料与人体之间相互作用产生各种复杂的生物、物理、化学反应的一种概念。生物医用材料必须对人体无毒、无致敏、无刺激、无遗传毒性、无致癌性，对人体组织、血液、免疫等系统不产生不良反应。因此，材料的生物相容性优劣是生物医用材料研究设计中首先考虑的重要问题。

生物医用材料与组织、细胞、血液接触时，会产生各种反应，（包括宿主反应（即机体生物学反应）和材料反应）。

材料与机体之间存在反应，会使各自的功能和性质受到影响，不仅使生物材料变形变性，还会对机体将造成各种危害。下图列出相互影响产生的后果。

多数医用材料很难保持植入时的形状、物理化学性能。引起生物医用材料变化的因素有：

(1)生理活动中骨路、关节、肌肉的力学性动态运动；

(2)细胞生物电、磁场和电解、氧化作用；

(3)新陈代谢过程中生物化学和酶催化反应；

(4)细胞粘附吞噬作用；

(5)体液中各种酶、细胞因子、蛋白质、氨基酸、多肽、自由基对材料的生物降解作用。

生物医用材料及装置植入人体后，引起三种生物学反应：组织反应、血液反应和免疫反应。引起生物体反应的因素有：

(1)材料中残留有毒性的低分子物质；

(2)材料聚合过程残留有毒性、刺激性的单体；

(3)材料及制品在灭菌过程中吸附了化学毒剂和高温引发的裂解；

(4)材料和制品的形状、大小、表面光滑程度；

(5)材料的酸碱度。

生物相容性的分类

生物医用材料的生物相容性分为两类：

若材料用于心血管系统与血液直接接触，主要考察与血液的相互作用，称为血液相容性；若与心血管系统外的组织和器官接触，主要考察与组织的相互作用，称为组织相容性或一般生物相容性。第二节组织相容性

组织相容性要求医用材料植入体内后与组织、细胞接触无任何不良反应。在组织相容性中，人们最关心的两个问题是材料与炎症和材料与肿瘤。

于是就可能有下述三种情况：

毒性反应：如果植入物的毒性大，使周围的细胞组织无法正常代谢，导致细胞死亡，产生“非细菌性脓肿”。其结果是，脓肿组织酸度高，腐蚀性大，将加速对金属表面的腐蚀，而更多的腐蚀产物又加速组织的坏死。

包绕反应：如果植入物体积大，毒性适中，周围组织中的成纤维细胞大量沉积胶原纤维，从而形成一层致密的纤维包绕层，使植入物与组织隔开。其结果是，一方面金属不再与组织液过多接触，降低了腐蚀速度，另一方面周围组织降低了与金属表面的接触，从而使副作用降低到最低的限度。

活性反应：如果材料体积大但毒性很小，周围组织受影响小，形成的包绕层疏松且薄，包绕层中有血管产生，有时候还可以观察到上皮细胞组织直接与植入物接触。

影响生物相容性的因素：1. 材料的化学成分；2. 表面的化学成分；3. 形状和表面的粗糙度：生物医用材料诱发肿瘤可能与下列因素有关：

(1)动物试验证实，引起肿瘤的原因与植入材料的外形有明显的相关性。

(2)与植入材料的埋植方法有关。连续放置的片状材料恶性肿瘤发生率明显高于打孔放置的片状材料。

(3)与植入材料表面的租糙程度有关。若材料表面光滑，肿瘤发生潜伏期短；若材料表面粗糙，肿瘤发生潜伏期延长。

(4)被致癌物污染的材料或生物老化时能释放致癌物的材料，植入动物体内能诱发恶性肿瘤。

(5)与植入材料在体内形成的纤维包膜厚度有关。植入一年时，材料的外包膜厚度超过0.25mm---0.3mm就有可能诱发恶性肿瘸。

(6)材料中残留的有毒或刺激性的小分子物质使局部组织长期受毒或受刺激，可诱发恶性肿瘤。

第三节血液相容性

生物材料对血液影响主要有以下几方面：

a) 血小板激活、聚集、血栓形成；

b) 凝血系统和纤溶系统激活、凝血机能增强、凝血系统加快、凝血时间缩短；

c) 红细胞膜破坏、产生溶血；

d) 白细胞减少及功能变化；

e) 补体系统的激活或抑制；

f) 对血浆蛋白和细胞因子的影响。

影响血液相容性的因素：

1. 材料表面光洁度：表面越粗糙，暴露在血液上的面积就越大，凝血的可能性就增大。

2. 表面亲水性：亲水性材料比疏水性材料有更好的血液相容性。

3. 表面带电性：表面带负电的材料具有更好的血液相容性。

目前使用较多的抗凝血的表面：

1. 肝素表面。肝素是一种糖。

2. 低温裂解碳。

3. 二氧化钛表面，氧化钽表面。

凝血大致过程是：材料与血液接触的数秒内，首先被材料吸附的是血浆蛋白（白蛋白、r-球蛋白、纤维蛋白原等），然后血小板在材料表面粘附、聚集、变形，向血小板血栓形成的方向发展，同时血液内一系列凝血因子相继被激活（凝血系统、纤溶系统被激活），参与到材料表面的血栓形成过程，最终形成红血栓。

生物医用材料与血小扳

当血小板与进入血管内的材料接触时，血小板会被激活。由于血液分子细胞学的发展，已在分子水平上搞清了血小板激活、粘附、聚集、释放反应。

生物医用材料与补体系统

补体(complement)是血液中的一群蛋白质。是存在于正常人和动物血清与组织液中的一组经活化后具有酶活性的蛋白质。一般认为补体在机体抵御感染中起重要作用。

人体补体系统是由20余种理化性状和免疫特性不同的血清蛋白组成，通常以非活化状态的前体分子形式存在血清中，约占血浆球蛋白总量的15％。当因某种原因(植入体内的材料)激话补体时、补体各成分便按一定顺序呈链锁的酶促反应，即补体活化。

补体激活对机体产生下面的影响：

(1)可引起患者过敏症状。患者首次透析时出现头痛、恶心、呕吐等症状。

(2)在透析时观察到患者有血氧下降或低血压现象。这是由于大量嗜中性白细胞聚集于肺毛细血管中，影响肺泡的换氧功能，出现缺氧现象。

(3)C3b将引起白细胞在材料表面粘附，促进血小板聚集，参与血栓的形成。

(4)出现慢性并发症，如易感染、恶性肿瘤发生率增加、软组织钙化，特别是肺泡细胞纤维化、钙化及动脉硬化。

(5)植入物的表面拈附大量的白细胞，是由于C3b结合在材料表面，起到白细胞在材料表面粘附的调理作用。

第四节、生物医用材料的生物相容性评价

1、生物学评价项目的选择：

不同用途的生物医用材料和医疗器械的生物学评价项目的内容和水平都不相同。项目选择主要依据医疗器械和材料的用途、接触人体的部位和接触时间。具体有如下几点：

(1)接触部位有体表和体内组织、骨骼、牙齿、血液；